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Die vorliegende Erfindung betrifft eine nichtmetallische Trommel für eine Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung und/oder Gefriertrocknung von stückigem Gut, wobei die Trommel eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche mit einer Öffnung aufweist, sowie eine Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung und/oder Gefriertrocknung von stückigem Gut und ein Verfahren zur Herstellung von Pulver.
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Eine Trommel der eingangsgenannten Art ist beispielsweise aus dem deutschen Patent
DE 10 2009 057 411 B4 bekannt. Die bekannte Trommel dient zur Aufnahme von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut und ist mittels einer Antriebseinrichtung zu einer hin- und hergehenden Drehbewegung antreibbar. Mit anderen Worten vollzieht die Trommel eine oszillierende Bewegung im Uhrzeigersinn und nach Richtungswechsel gegen den Uhrzeigersinn (zum Beispiel von ± 90°)(Taumelbewegung). Durch die Inhomogenität der Mikrowellen-Feldverteilung sowie durch die begrenzten Eindringtiefen der MikrowellenStrahlung ist die Trocknung eines Guts normalerweise nur in einer bewegten Trommel sinnvoll möglich.
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Die
US 6 092 301 A offenbart Mikrowellen-Trocknung von Häuten und Fellen unter Vakuum in einer Gerbanlage. Die Gerbanlage umfasst eine Außentrommel mit einer Belade- und einer Entladetür sowie einer modifizierten Tür zum Einleiten von Mikrowellen. Innerhalb der Außentrommel befindet sich eine horizontal drehbare Innentrommel mit sechs Sektoren, von denen jeder mit einer Tür zum Be- und Entladen durch die Lade- und Entladetüren der Außentrommel versehen ist.
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Die
WO 2008/094 806 A1 offenbart eine horizontal drehbare Trommel innerhalb eines Mikrowellen-Trockners, die in ringförmige Segmente unterteilt ist, um empfindliche Snacks mechanisch produktschonend zu trocknen. Die Produkte sind in den ringförmigen Segmenten eingeschlossen. Genau wie bei der aus dem US-Patent
US 6 092 301 A bekannten Trommel erfolgt eine Drehbewegung derselben nur in einer Richtung. Durch die Drehbewegung werden die Produkte gemischt. Das Schüttvolumen ist auf eine Größe begrenzt, bei der keine Produktschädigungen auftreten. Ansonsten würde die Oberfläche bzw. Mikrostruktur des Produktes beschädigt als auch das Produktvolumen vom Eigengewicht belastet und zu Verformungen und Komprimierung der Schüttung führen.
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DE 20 2006 018 276 U1 offenbart eine nichtmetallische Trommel für eine Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung und/oder Gefriertrocknung von stückigem Gut, wobei die Trommel eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche mit einer Öffnung aufweist.
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Aus
DE 693 14 430 T2 ist bekannt, eine Öffnung einer Trommel mittels einer Lochplatte abzudecken, um damit einen Materialaustrag aus einer Trommel zu verhindern. Da auch die Trocknungszeiten bei Trocknung bzw. Gefriertrocknung mittels Mikrowellen im Bereich von wenigen Stunden liegen, erfährt das Gut, insbesondere Früchte, wie zum Beispiel Beeren, oder auch Wurzeln, durch die Bewegung mechanischen Abrieb in der Trommel. Durch ein tiefes Vakuum von 2 mbar und darunter und hohe Mikrowellen-Energiedichten kann der erzeugte Wasserdampf groß sein. Durch die große Wasserdampfmenge entsteht ein Gasvolumen, das durch eine Vakuumpumpenstation abgesaugt wird. Die dabei auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten reißen zum Teil den Gut- bzw. Produktabrieb aus der Trommel heraus. Dieser breitet sich in dem Vakuumbehälter aus. Ebenso wird ein Teil des Gutabriebs (Staub) in das Vakuumsystem befördert, wo er über Filter beseitigt wird. Der verbleibende Staubanteil innerhalb des Vakuumbehälters kann sich unter anderem in Mikrowellen-Einkopplungen absetzen und dann dort ein Plasma auslösen. Insbesondere steigt bei der Mikrowellen-Gefriertrocknung die Wasserdampfmenge bei tiefem Vakuum exponentiell an, wodurch die Staubanteile durch den Gasstrom vermehrt aus der offenen Trommel gefördert werden.
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Der Abrieb (Staub) als Pulver kann beträchtlich sein, und stellt ebenfalls ein hochwertiges Produkt dar, welches zum Beispiel bei Beeren und Wurzeln in Pulverform gut weiterverarbeitet werden kann (zum Beispiel zur Extraktion). Ein nachträgliches Vermahlen von z. B. gefriergetrockneten Früchten würde ein großes Problem darstellen, weil sich durch die mechanischen Mahlverfahren die Messer schnell zusetzen und durch die mechanische Beanspruchung beim Mahlen die Produktqualitäten auch leiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Trommel bereitzustellen, mittels derer hochwertige Feinanteile, insbesondere Produktabrieb gewonnen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Trommel der eingangsgenannten Art dadurch gelöst, dass die Öffnung mittels eines im Wesentlichen mikrowellentransparenten Siebgitters abgedeckt ist und in der Trommel gegenüber dem Siebgitter in einem Abstand ein oder mehrere weitere(s) mikrowellentransparente(s) Siebgitter angeordnet ist/sind, dessen/deren Siebfläche sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Trommel erstreckt.
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Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die mehreren weiteren Siebgitter in einem Abstand zueinander im rechten Winkel zur Längsachse der Trommel angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist die Trommel an ihren Stirnseiten geschlossen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass sie in mindestens einer ihrer Stirnseiten eine Öffnung zum seitlichen Einführen und Herausnehmen des weiteren Siebgitters oder je eine Öffnung zum seitlichen Einführen und Herausnehmen der mehreren weiteren Siebgitter aufweist.
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Zweckmäßigerweise weist/weisen das weitere Siebgitter oder die mehreren weiteren Siebgitter in der Trommel eine größere Maschenweite als das Siebgitter in der Öffnung auf.
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Vorteilhafterweise nimmt die Maschenweite der mehreren weiteren Siebgitter in der Trommel ausgehend von der Seite der Öffnung der Trommel ab.
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Günstigerweise liegt die Maschenweite des weiteren Siebgitters in der Trommel unmittelbar benachbart zum Siebgitter in der Öffnung im Bereich von circa 1mm bis circa 30mm.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das weitere Siebgitter oder mindestens ein weiteres Siebgitter in der Trommel so gestaltet, dass es auf ein zu trocknendes Gut eine abrasive Wirkung hat. Z. B. können sich abrasive Elemente auf der Mantelfläche der Trommel befinden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Maschenweite des Siebgitters in der Öffnung im Bereich von circa 50 µm bis circa 1 mm.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich die Öffnung in der Mantelfläche parallel zu ihrer Längsachse erstreckt. Beispielsweise kann sich die Öffnung in der Mantelfläche teilweise oder vollständig über die Länge der Trommel erstrecken.
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Ferner liefert die vorliegende Erfindung eine Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung und/oder Gefriertrockung von stückigem Gut, umfassend einen Vakuumbehälter, eine Trommel zur Aufnahme des Guts nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Trommel in dem Vakuumbehälter mittig angeordnet und um ihre im Wesentlichen horizontale Längsachse drehbar gelagert ist, und eine Antriebseinrichtung zum Antreiben der Trommel zu einer hin- und hergehenden Drehbewegung.
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Schließlich liefert die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, umfassend die Schritte: vorzugsweise kryogenes Einfrieren eines flüssigen Produkts zu einem schüttfähigen Produkt, Laden des schüttfähigen Produkts in die Trommel einer Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung und/oder Gefriertrocknung nach Anspruch 11 und Trocknen des schüttfähigen Produkts mittels Mikrowellenstrahlung in der gesteuert sich hin- und herdrehenden Trommel. Als ein flüssiges Produkt kommt beispielsweise ein flüssiges Produkt aus dem Lebensmittelbereich (Food-Bereich) oder dem pharmazeutischen oder Biotec-Bereich in Frage. Im Lebensmittelbereich kann es sich beispielsweise um Extrakte und/oder Rohstoffe handeln. Zum Beispiel können Pulver aus Fruchtpulpen, Fruchtsaftkonzentrat oder Fruchtsaftpüree hergestellt werden. Im pharmazeutischen Bereich können beispielsweise flüssige Wirkstoffen bzw. Seren, die aus Fermentation-Prozessen gewonnen werden, zu Pulver gefriergetrocknet werden.
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Das flüssige Produkt kann beispielsweise kryogen pelletiert werden. Als schüttfähiges Produkt kann es beispielsweise in Form von Pellets, Granulat oder Würfeln/Kugeln vorliegen.
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Während der Trocknung werden vorteilhafterweise mit Hilfe von abrasiven Sieben oder abrasiven Vorrichtungen auf der Mantelfläche der Trommel in der Bewegung die getrockneten Feinanteile in einer unteren Ebene separiert. Nach Abschluss der Trocknung befinden sich die Grob- und Feinstaubanteile in den verschiedenen Zwischenebenen.
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Das kryogene Einfrieren kann beispielsweise mit flüssigem Stickstoff (-196°C) oder mit Kohlenstoffdioxid (-78 °C) erfolgen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich die Feinanteile aus Staub und Pulver aufgrund des Abriebs des zu trocknenden Guts gut mit einem Siebgitter, das in der Öffnung der Trommel angeordnet ist, zurückhalten lassen, sodass sie (zunächst) in der Trommel verbleiben, und durch die Einführung von mindestens einer Siebzwischenebene in der Trommel die groben Staubanteile eingefangen und von dem zu trocknenden Gut bzw. trockenen Gut getrennt werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen erläutert werden, wobei
- 1 eine Radialschnittansicht (links) und eine perspektivische, teilweise transparente Seitenansicht von einer Trommel gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 eine perspektivische, teilweise transparente Ansicht von einer Trommel gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
- 3 eine perspektivische, teiltransparente Ansicht von einer Trommel gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die in der 1 gezeigte, an den Stirnseiten geschlossene Trommel 10 besteht aus Kunststoff und weist eine zylindrische Mantelfläche 12 mit einer Öffnung 14 auf, wobei die Öffnung 14 mittels eines mikrowellentransparenten Siebgitters 16 abgedeckt ist. Besagtes Siebgitter 16 umfasst ein Sieb 18, das in einen offenen Rahmen 20 eingespannt ist, der sich gut dichtend auf die Öffnung 14 der Trommel 10 setzen lässt. Mittels des Siebgitters 16 lassen sich die Feinanteile aus Staub und Pulver gut in dem Siebgitter 16 zurückhalten, sodass sie zunächst in der Trommel 10 verbleiben. Das Siebgitter 16 weist je nach Produkt- bzw. Gutart, die zu trocknen ist, eine Maschenweite im Bereich von ca. 50µm bis ca. 1mm auf. Die Trommel 10 und/oder das Siebgitter 16 können z.B. aus mikrowellentransparenten Kunststoffen, wie z.B. PP (Dielektrizitätskonstante ε ca. 2-j 0,001 bei -20°C) oder PTFE (Dielektrizitätskonstante ε ca. 2-j 0,003 bei -20°C), bestehen.
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Weiterhin sind in der Trommel 10 gegenüber dem Siebgitter 16 in einem Abstand drei zueinander beabstandete weitere mikrowellentransparente Siebgitter 22, 24 und 26 angeordnet, deren Siebfläche im Wesentlichen parallel zur Längsachse 28 der Trommel 10 erstreckt. Die Trommel 10 ist um eine mittige, sich horizontal erstreckende Drehachse, die mit der Längsachse 28 zusammenfällt, drehbar. Die Siebgitter 22, 24 und 26 können ebenfalls aus mikrowellentransparenten Kunststoffen, wie z.B. PP oder PTFE bestehen.
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Die weiteren Siebgitter 22, 24 und 26 weisen im Wesentlichen die gleiche Krümmung auf.
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Die Separation des Feinanteils in der Trommel 10 erfolgt durch die weiteren Siebgitter 22, 24 und 26, durch die die Staubanteile durchfallen können. Bei der Gutentnahme können zum Beispiel Früchte, wie z. B. Beeren, dann aus den durch die weiteren Siebgitter 22 und 24 gebildeten Bereichen A und B entnommen werden und kann der grobe Staubanteil, der nach unten fällt, aus dem durch die weiteren Siebgitter 24 und 26 gebildeten Bereich C entnommen werden. Dadurch, dass kein staubförmiger Produktaustrag mehr aus der Trommel 10 stattfindet, können höhere Mikrowellen-Leistungsdichten gefahren werden. Die Perforierung bzw. Maschenweite der weiteren Siebgitter 22, 24 und 26 kann so gestaltet werden, dass damit sogar gezielt ein Abrieb erzeugt wird, wenn man zum Beispiel viel pulverförmiges Produkt erzeugen will. Darüber hinaus kann die Oberfläche des Guts, z. B. Beeren, deren Wasserdampf durch eine undurchlässige Außenhaut geschützt wird, durch Bewegung und damit gezielten Abrieb gezielt perforiert und abgetragen werden. Damit erhöhen sich die Wasserdampfdurchlässigkeit und die Trocknungsgeschwindigkeit. Somit können wiederum höhere Mikrowellen-Energiedichten gefahren werden, was zu einer weiteren Verkürzung der Trocknungszeiten führt. Ebenso wird dabei verhindert, dass der Partialdruck an den Oberflächen des Produkts bzw. Guts unterhalb der Membran beispielsweise von Erdbeeren durch die schlechte Dampfdurchlässigkeit ansteigt. Dies könnte sonst dazu führen, dass die Erdbeere an dieser Stelle vom gefrorenen Zustand in den flüssigen Zustand übergeht. Das gefrorene, für die Mikrowellen nahezu „transparente“ Wasser würde durch den Druckanstieg in die Flüssigkeitsphase übergehen und schlagartig sehr viel Mikrowellen-Energie absorbieren und dann sofort verdampfen. Durch dieses schlagartige Verdampfen werden noch höhere Partialdrücke erzeugt und werden dadurch die Textur und Struktur der Erdbeere an dieser Stelle zerstört; ebenso auch die flüchtigen Anteile wie Vitamine, Aromen und Antioxidantien. Je reifer die Frucht ist, desto höher ist die Zuckerkonzentration (BRIX) und desto tiefer liegt die tatsächliche Verdampfungstemperatur unterhalb des normalen Tripple-Points im Vakuum verglichen mit normalem Wasser. Für diese sehr zuckerhaltigen Produkte ist es umso wichtiger, dass durch gute Diffusionswege Partialdruckspitzen an der Membran gar nicht erst auftreten können.
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Außerdem führt der gezielte Abtrag an der Oberfläche von beispielsweise Beeren zu einem Pulver, in dem sich vermehrt Antioxidantien nachweisen lassen, da diese vermehrt unter anderen in der Oberfläche eingelagert sind.
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Früchte, wie zum Beispiel Himbeeren, die während der Trocknung durch die mechanische Bewegung leicht in Bruchstücke zerfallen, können über ein weiteres Siebgitter im Boden der Trommel selektiert werden. In einer besonderen Ausführungsform ist es möglich, mit mehreren weiteren Siebgittern mit unterschiedlichen Maschenweiten zu arbeiten, wobei deren Maschenweite zum Boden hin abnimmt. Hiermit lässt sich das Gut gezielt nach Größe sieben.
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Flüssige Produkte, wie z. B. Fruchtpulpen, Fruchtsaftkonzentrate und Fruchtsaftpurees stellen ebenfalls eine interessante Anwendung in der Industrie für Fruchtsaftkonzentrate dar, die mit der Trommel gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest in einer besonderen Ausführungsform zu Pulver getrocknet werden können.
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In einem vorgeschalteten Verfahrensschritt wird das flüssige Produkt über Flüssigstickstoff pelletiert und eingefroren (→ Kryogenes Pelletieren). Es sind auch Kugel- und Würfelformen möglich.
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Die gefrorenen Pellets oder Granulat werden als Schüttgut in die Trommel eingetragen.
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Während der Trocknung werden mit Hilfe der abrasiven Siebe oder abrasiven Vorrichtungen auf der Mantelfläche der Trommel in der Bewegung die getrockneten Feinanteile in der unteren Ebene separiert.
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Nach Abschluss der Trocknung befinden sich die Grob- und Feinstaubanteile in den verschiedenen Zwischenebenen.
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Die Wirtschaftlichkeit einer Mikrowellen-Trocknungsanlage zur Trocknung und/oder Gefriertrocknung von stückigem Gut mit einer vorangehend beschriebenen Trommel hängt stark von der Größe der Trommel und der möglichen Produktbeladung ab. Bei einer großen Trommel von z. B. 800 Liter Gesamtvolumen können grundsätzlich 50 bis 150 kg per Batch getrocknet werden. Durch die große Produktbeladung erfahren gerade die mechanisch empfindlichen Früchte, wie z. B. Beeren, während der Trocknung und insbesondere während der Endtrocknung mechanischen Stress und mechanische Belastung, die dazu führen, dass sich das Produktvolumen der Früchte (einzelnen Beeren) stark verkleinert. Dies ist nicht erwünscht. Die Früchte (Beeren) sollen ihre ursprüngliche Größe behalten oder gegebenenfalls im Volumen noch vergrößert werden (puffing).
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem ebenfalls mit den weiteren Siebgittern 22, 24, und 26 gelöst. Die Größe der mittels der weiteren Siebgitter erzeugten Zwischenebenen orientiert sich an der Beladungsgröße, bei der das Gut bzw. das Produkt mechanisch minimal belastet wird, ohne dass es an Produktvolumen einbüßt.
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In der Trommel sind grundsätzlich mehrere Ebenen bzw. Zwischenebenen mit Siebgittern möglich, die sich beispielsweise nach der Trocknung einfach als „Trays“ herausnehmen lassen. Das kann z.B. von oben durch die Öffnung 14 der Trommel 10, aber auch seitlich durch Ausschnitte (siehe unten) an der Stirnseite der Trommel erfolgen, wo sich über Öffnungen (siehe unten) dann die weiteren Siebgitter einschieben als auch herausnehmen lassen.
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Die dielektrischen Eigenschaften von beispielsweise gefrorenen Beeren sind sehr gering. Dies gilt sowohl für den gefrorenen Zustand bei z.B. -20°C, da die Moleküle des Wasseranteils bewegungsunfähig und somit nicht rotationsfähig sind, als auch für den getrockneten Zustand, da bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes bereits das meiste Wasser entzogen ist.
| ε' | ε" | | | | |
| (2450MHz) | (2450MHz) | Temperatur | Feuchtigkeit | Produkt | BRIX |
| 1,4 - 2,0 | 0,03 - 0,07 | 25°C | 10% | Himbeeren | 9-11% |
| 1,5 - 2,0 | 0,1 - 0,2 | - 10°C | 82% | Himbeeren | 9-11% |
| 1,5 - 2,0 | 0,05 - 0,1 | -20°C | 82% | Himbeeren | 9-11% |
| 20-28 | 12 - 16 | 25°C | flüssig | Sorbitol (E420) | |
| 2,0 - 6,0 | 0,5 - 1,5 | -20°C | 60% | osmotisch mit Sorbitol vorbehandelte Himbeeren | 14-16% |
In der obigen Tabelle sind beispielhaft die Eigenschaften von Himbeeren auf durchschnittliche Beerengröße von 5 bis 12 mm und Sorbitol zusammengefasst.
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Im Bereich der konventionellen Gefriertrocknung werden bereits Zusatzstoffe verwendet, die die Gefriertrocknung verbessern und verkürzen. Im Bereich der Mikrowellen-Gefriertrocknung kann man ebenfalls mit Zusatzstoffen die Eigenschaften und die Bedingungen der Trocknung verbessern. Hier sind insbesondere Zusatzstoffe interessant, um die dielektrischen Eigenschaften gezielt zu erhöhen. Die obige Tabelle zeigt die dielektrischen Eigenschaften von Himbeeren in Abhängigkeit von der Feuchte und Temperatur. Sorbitol als Zuckeralkohol kann z.B. als Zuckeraustauschstoff in einer osmotischen Vortrocknung eingesetzt werden und die dielektrischen Eigenschaften der Himbeere gezielt erhöhen. Somit kann die Mikrowellen-Gefriertrocknung wirkungsvoller und sicherer ablaufen, da die dielektrischen Eigenschaften, wie z.B. der Verlustfaktor, um z.B. den Faktor 10 angehoben werden kann. Sorbitol ist hier nur ein Beispiel. Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von sowohl Zuckeraustauschstoffen als auch anderer Zusatzstoffe, die die dielektrischen Eigenschaften gezielt anheben können und noch weitere positive Eigenschaften für das Produkt mit sich bringen.
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Beispiel:
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In einer Kunststofftrommel wurden 30 kg mit 84% Restfeuchte gefrorene Erdbeeren dosiert. In vier Stunden wurde mit 25 kWh Mikrowellenenergie auf circa 10% Restfeuchte getrocknet. Der Produkteintrag in den Bereich A betrug 10 kg, Bereich B 20 kg, während der Bereich C leer blieb. Nach der Trocknung befanden sich in dem Bereich A 1,6 kg Produkt, im Bereich B 3,3 kg Produkt und im Bereich C 0,5 kg grober Staubanteil.
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In der 2 ist eine Trommel 10 gezeigt, die gerade auf die Seite gelegt bzw. gedreht ist, sodass durch die Öffnung 14 die weiteren Siebgitter, von denen nur zwei gezeigt und mit den Bezugszahlen 22 und 24 gekennzeichnet sind, in die Trommel 10 eingesetzt bzw. eingeschoben werden. Nach dem Einsetzen eines jeweiligen weiteren Siebgitters kann sie mit Gut, wie z.B. Früchten (nicht gezeigt), befüllt werden, bevor das nächste weitere Siebgitter installiert wird. Die Siebgitter 22 und 24 werden dann mittels Zentrierbolzen 30 mit der Trommel 10 in die Normposition gebracht (Öffnung 14 oben) und mittels Schrauben (nicht gezeigt) fixiert.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer Trommel 10, deren Stirnseiten 32 und 34 geschlossen sind, wobei aber in der Stirnseite 34 schlitzartige Öffnungen 36 und 38 zum seitlichen Einschieben der weiteren Siebgitter 22 und 24 vorgesehen sind. Die weiteren Siebgitter 22 und 24 können somit auch als Schubladen betrachtet werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
